بررسي ترموديناميکي فرايند رشد دانه در فلزات نانو ساختار با حضور عناصرافزودني بوسيله شبيه سازي ديناميک مولکولي

STUDENT

DEGREE

YEAR

Nowadays, there is a great interest in nano crystalline materials due to their unique properties. Since grain boundaries have very high energy, there is a huge tendency to grain growth for nano materials which will deteriorate their desirable properties. There are several types of models for describing thermodynamic behavior of nano crystalline materials. These models including Song, QAD and EOS models are used to investigate about grain growth of nano materials, finding methods to prevent further grain growth. These models indicate that under a critical grain size, grain growth tendency is stopped. Therefore, decreasing the grain size below critical size is one of the methods for preventing from grain growth of nano materials. As a result, particular properties of nano materials are preserved for practical goals. However, finding a way to increase critical grain size is necessary due to its very small size. One of these methods is utilizing secondary element atoms in the pure metal structure and decreasing the grain boundaries energy. Among all proposed models, only Song’s model claims that by applying some changing, it can predict thermodynamic behaviour of metal alloys in nanometer scale. On the other hand, no precise investigation has been done to evaluate capability of this model for predicting thermodynamic behaviour of metal alloys in nano scale still now. Thus, the aim of this project was to evaluate the capability of Song’s model for predicting critical grain size of Al-Mg alloy by using molecular dynamic simulation. In addition, penetration behaviour of Mg and Al was investigated by using this simulation. Moreover, effect of entering Mg atoms on Al grain growth was studied by considering energy changing of the nano structure Al and critical grain size was calculated. The results indicated that Mg atoms move to grain boundaries after entering Al structure. As a result of decreasing grain boundaries energy, grain stability against growing was provided. Furthermore, Mg atoms control grain growth phenomena by creating strong bonds in Al structure and decreasing diffusion coefficient of Al atoms. Comparing molecular dynamic simulation results and its calculated critical grain size with those calculated by Song’s model, it can be seen that this model do not show good ability in prediction of alloy behaviour in nano scale. Simulation of Cu-Zr alloy system showed that results were compatible with Al-Mg simulation results. In general, molecular dynamic simulation results indicated that proper selection of secondary element could help to increase critical grain size at different temperature. Keywords: nano structure materials, grain growth, additive element, molecular dynamic simulation, Song’s model.

چکيده امروزه مواد نانوکريستال به دليل خواص ويژه و منحصربه فردشان مورد توجه محققين واقع شده اند. در اين گروه از مواد کسر بالايي از اتم ها نسبت به مواد پلي کريستال درشت دانه در مرزهاي دانه واقع شده اند و به اين دليل که مرزدانه انرژي بيشتري نسبت به ساختار درون دانه دارد، در اين دسته از مواد انرژي ناشي از مرزدانه بسيار بالا بوده و تمايل بسيار شديدي به رشد دانه از خود نشان مي دهند. با رشد دانه ها و خارج شدن آن ها از ابعاد نانومتري خواص مطلوب اين مواد از بين مي رود. از طرفي ميزان بالاي مرزدانه در اين مواد باعث مي شود که از تأثيرات و خواص مرزدانه در رفتار ترموديناميکي مواد نانوساختار نتوان چشم پوشي کرد و به همين دليل مدل هايي براي توصيف رفتار ترموديناميکي مواد نانوکريستال ارائه شده است. براي بررسي فرايند رشد دانه ها در اين دسته از مواد و يافتن روش هايي براي پايداري دانه هاي مواد نانوکريستال در برابر رشد بايد از اين مدل ها استفاده نمود. مدل EOS، مدل QDA و مدل Song مدل هاي ترموديناميکي طراحي شده براي توصيف رفتار ترموديناميکي فلزات نانوساختار به صورت خالص مي باشند. اين مدل ها نشان مي دهند که در زير اندازه دانه اي که به آن اندازه دانه بحراني گفته مي شود تمايل به رشد دانه در ساختار از بين مي رود. بنابراين يکي از روش هاي جلوگيري از رشد دانه ها در مواد نانوکريستال و حفظ خواص ويژه آن ها و فراهم آوردن امکان به کارگيري آن ها در مقاصد کاربردي، کوچک کردن ابعاد دانه هاي آن ها تا زير اندازه دانه بحراني است. اما از آن جا که اندازه دانه بحراني معمولاً بسيار کوچک است، يافتن روش هايي براي افزايش اندازه دانه بحراني ضروري به نظر مي رسد. يکي از اين روش ها استفاده از اتم هاي عنصر ثانويه در ساختار فلز خالص، و کاهش انرژي مرزهاي دانه توسط آن ها مي باشد. از بين مدل هاي ارائه شده تنها مدل سانگ با اعمال تغييراتي ادعا مي کند که قادر به پيش بيني رفتار ترموديناميکي آلياژهاي فلزي در مقياس نانومتري است. اما بررسي دقيقي روي قابليت اين مدل براي پيش بيني صحيح رفتار ترموديناميکي آلياژها در مقياس نانو انجام نگرفته است. در اين تحقيق با استفاده از شبيه سازي ديناميک مولکولي سعي در بررسي و ارزيابي توانايي اين مدل در پيش بيني اندازه دانه بحراني در آلياژ آلومينيم-منيزيم مي باشد. با استفاده از شبيه سازي ديناميک مولکولي در آلياژ فوق رفتار نفوذي منيزيم و آلومينيم بررسي و همچنين با توجه به تغييرات حاصل در انرژي ساختار آلومينيم با اندازه دانه نانومتري در اثر ورود اتم هاي منيزيم به آن، تأثير ورود اين اتم ها بر رشد دانه آلومينيم مطالعه شده و اندازه دانه بحراني محاسبه گرديد. نتايج نشان مي دهد که اتم هاي منيزيم پس از ورود به ساختارآلومينيم به سمت مرزهاي دانه رفته و با کاهش انرژي مرزدانه امکان پايداري دانه ها در برابر رشد را فراهم مي نمايند. به علاوه با برقراري پيوندهاي قوي در ساختار آلومينيم و نيز کاهش ضريب نفوذ اتم هاي آلومينيم فرايند رشد دانه را کنترل مي کنند. پس از مقايسه نتايج حاصل از شبيه سازي ديناميک مولکولي و اندازه دانه بحراني محاسبه شده توسط آن با محاسبات انجام گرفته توسط مدل سانگ ديده مي شود اين مدل در پيش بيني رفتار آلياژها در مقياس نانو توانايي چنداني ندارد. پس از آن با انجام شبيه سازي روي آلياژ مس-زيرکنيم مشاهده شد که نتايج بدست آمده با نتايج حاصل از شبيه سازي آلياژ آلومينيم-منيزيم مطابقت دارد. نتايج حاصل از شبيه سازي ديناميک مولکولي نشان داد که با انتخاب صحيح عنصر دوم مي توان اندازه دانه بحراني را در دماهاي مختلف افزايش داد. کلمات کليدي: موادنانوساختار، رشد دانه، عنصر افزودني، شبيه سازي ديناميک مولکولي، مدل سانگ.